CN112763308B - 一种可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统 - Google Patents

一种可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统 Download PDF

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Abstract

一种可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统，本发明属于材料试验模拟装置领域，它为了解决现有冲蚀试验装置难以进行多参数控制的问题。本发明可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统包括机械臂装置、高速样品台和耐蚀箱，其中机械臂装置包括底座、固定臂、连接臂、活动臂和两个液压伸缩杆，所述的高速样品台是在固定圆盘上设置有多条沿径向分布的滑轨，每条滑轨上滑动连接有夹具件，夹块和夹具件之间夹固有试件，在耐蚀箱内设置高速样品台，机械臂装置的喷枪对准夹具件上夹固的试件，高速样品台的旋转底座由电机驱动旋转。本发明能够实时监测冲蚀过程的各项参数变化以及样品表面损伤情况，利用控制装置，调整冲蚀工艺参数。

Description

一种可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统
技术领域
本发明属于材料试验模拟装置领域，具体涉及一种可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统。
背景技术
随着我国资源开发和利用范围的扩展，装备的服役条件日益苛刻，高压，高温，腐蚀环境对装备的可靠性提出了更高的要求。目前，油气田的开发向着深海，沙漠，冰川等极端地区发展，油气井管需要承受高压，变温，腐蚀，以及高速油水、砂石混合物的协同作用，导致油气井管冲蚀磨损，壁厚减薄，强度减弱，发生管道失效，失效机制复杂，分析较为困难。然而，现有的实验室冲蚀试验装置，冲蚀参数设置较粗糙，不能进行精确控制，而且对冲蚀时间，多是通过文献查阅或根据经验值进行设置，难以实现冲蚀样品损伤的及时确认和监测，无法根据测试样品差异进行有针对性的准确测试。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有冲蚀试验装置对冲蚀参数设置较粗糙，难以进行多参数(精确)控制的问题，而提供一种可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统。
本发明可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统包括机械臂装置、高速样品台和耐蚀箱，其中机械臂装置包括底座、固定臂、连接臂、活动臂、第一液压伸缩杆和第二液压伸缩杆，固定臂竖直固定在底座上，连接臂的一端铰接在固定臂的顶部，连接臂的另一端与活动臂相铰接，第一液压伸缩杆的杆体固定在固定臂上，第一液压伸缩杆的伸缩端与连接臂相连接，第二液压伸缩杆的杆体固定在连接臂上，第二液压伸缩杆的伸缩端与活动臂相连接，输送管道固定在活动臂上，输送管道上设置有喷枪；
所述的高速样品台包括旋转底座、固定圆盘、夹具件和夹块，固定圆盘设置在旋转底座的上表面，在固定圆盘上设置有多条沿径向分布的滑轨，每条滑轨上滑动连接有夹具件，在夹具件上垂直设置有背板，夹块通过第一螺栓固定在背板的一侧板面上，夹块和夹具件之间夹固有试件，夹具件通过第二螺栓固定位置；
在耐蚀箱内设置高速样品台，耐蚀箱的箱侧壁开有侧门，机械臂装置的活动臂从侧门伸入耐蚀箱内，喷枪对准夹具件上夹固的试件，高速样品台的旋转底座由电机驱动旋转。
本发明机械臂装置中的固定臂、连接臂和活动臂之间利用铰接连接，输送冲蚀介质的输送管道固定在机械臂装置上，以实现冲蚀喷枪在不同距离多角度的控制，在喷枪内还可配有气体压力传感器，可以将数据传输到计算机中实现预设参数的程序控制；多相混合介质借助机械臂喷枪冲击试样表面，为更好的考察冲蚀参数对冲蚀磨损性能的影响，样品台在电机的带动下高速旋转提供较高的切速度，机械臂可通过方向与距离的改变调节冲蚀角度和冲蚀距离。
本发明能够实时监测冲蚀过程的各项参数变化以及样品表面损伤情况，利用控制装置，调整冲蚀工艺参数，有效模拟各类环境气氛以更接近真实服役工况，提高对样品冲蚀性能的综合评价，保证了试验准确度，通过数字化集成控制，操作更加简洁方便。
附图说明
图1为机械臂装置的结构示意图；
图2为高速样品台的结构示意图；
图3为夹具件、背板和夹块的装配结构示意图；
图4为具体实施方式四中固定夹块的结构示意图；
图5为具体实施方式五中第二螺栓固定夹具件的俯视结构示意图；
图6为具体实施方式二中所述输送管道和耐蚀箱的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统包括机械臂装置、高速样品台和耐蚀箱3，其中机械臂装置包括底座1-1、固定臂1-2、连接臂1-3、活动臂1-4、第一液压伸缩杆1-5和第二液压伸缩杆1-6，固定臂1-2竖直固定在底座1-1上，连接臂1-3的一端铰接在固定臂1-2的顶部，连接臂1-3的另一端与活动臂1-4相铰接，第一液压伸缩杆1-5的杆体固定在固定臂1-2上，第一液压伸缩杆1-5的伸缩端与连接臂1-3相连接，第二液压伸缩杆1-6的杆体固定在连接臂1-3上，第二液压伸缩杆1-6的伸缩端与活动臂1-4相连接，输送管道固定在活动臂1-4上，输送管道上设置有喷枪1-7；
所述的高速样品台包括旋转底座2-1、固定圆盘2-2、夹具件2-3和夹块2-4，固定圆盘2-2设置在旋转底座2-1的上表面，在固定圆盘2-2上设置有多条沿径向分布的滑轨2-11，每条滑轨2-11上滑动连接有夹具件2-3，在夹具件2-3上垂直设置有背板2-5，夹块2-4通过第一螺栓2-6固定在背板2-5的一侧板面上，夹块2-4和夹具件2-3之间夹固有试件，夹具件2-3通过第二螺栓2-7固定位置；
在耐蚀箱3内设置高速样品台，耐蚀箱3的箱侧壁开有侧门，机械臂装置的活动臂1-4从侧门伸入耐蚀箱3内，喷枪1-7对准夹具件2-3上夹固的试件，高速样品台的旋转底座2-1由电机驱动旋转。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是输送管道包括第一气管1-8、第二气管1-9和第三气管1-10，在高压气源上并联有第一气管1-8、第二气管1-9和第三气管1-10，在第一气管1-8上设置有气体加热器，第二气管1-9上设置有粉末进料器，第三气管1-10上设置有液体输送泵，第一气管1-8、第二气管1-9和第三气管1-10另一端分别与喷枪1-7相连通。
本实施方式第一气管1-8、第二气管1-9和第三气管1-10上分别设置有阀门。液体输送泵与储液罐相连通。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在背板2-5上沿竖直方向设置有两条背板滑轨2-8，夹块2-4在背板滑轨2-8上滑动连接。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是沿竖直方向在两条背板滑轨2-8之间开有固定孔2-9，第一螺栓2-6穿过固定孔2-9固定夹块2-4。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是沿着滑轨2-11的轴向开有定位孔2-10，第二螺栓2-7穿过夹具件2-3和定位孔2-10固定夹具件2-3在滑轨2-11上的位置。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是在固定圆盘2-2上设置有8～12条沿径向分布的滑轨2-11。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是控制高速样品台的转速为30r/min～150r/min。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是在耐蚀箱3内设置有盐雾发生器4。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是在耐蚀箱3的底部开有废液排出口。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是在耐蚀箱3内还设置有高速摄像机。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是喷枪1-7内设置有气体压力传感器。
本实施方式通过调节喷枪1-7内的气体压力，进而调节冲蚀介质的压力，流速，以及流量等冲蚀试验参数。
实施例：本实施例可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统包括机械臂装置、高速样品台和耐蚀箱3，其中机械臂装置包括底座1-1、固定臂1-2、连接臂1-3、活动臂1-4、第一液压伸缩杆1-5和第二液压伸缩杆1-6，固定臂1-2竖直固定在底座1-1上，连接臂1-3的一端铰接在固定臂1-2的顶部，连接臂1-3的另一端与活动臂1-4相铰接，第一液压伸缩杆1-5的杆体固定在固定臂1-2上，第一液压伸缩杆1-5的伸缩端与连接臂1-3相连接，第二液压伸缩杆1-6的杆体固定在连接臂1-3上，第二液压伸缩杆1-6的伸缩端与活动臂1-4相连接，输送管道固定在活动臂1-4上，输送管道包括第一气管1-8、第二气管1-9和第三气管1-10，在高压气源上并联有第一气管1-8、第二气管1-9和第三气管1-10，在第一气管1-8上设置有气体加热器，第二气管1-9上设置有粉末进料器，第三气管1-10上设置有液体输送泵，第一气管1-8、第二气管1-9和第三气管1-10另一端分别与喷枪1-7相连通；
所述的高速样品台包括旋转底座2-1、固定圆盘2-2、夹具件2-3和夹块2-4，固定圆盘2-2设置在旋转底座2-1的上表面，在固定圆盘2-2上设置有12条沿径向分布的滑轨2-11，每条滑轨2-11上滑动连接有夹具件2-3，在夹具件2-3上垂直设置有背板2-5，在背板2-5上沿竖直方向设置有两条背板滑轨2-8，夹块2-4在背板滑轨2-8上滑动连接，沿竖直方向在两条背板滑轨2-8之间开有固定孔2-9，第一螺栓2-6穿过固定孔2-9固定夹块2-4，夹块2-4和夹具件2-3之间夹固有试件，沿着滑轨2-11的轴向开有定位孔2-10，第二螺栓2-7穿过夹具件2-3和定位孔2-10固定夹具件2-3在滑轨2-11上的位置；
在耐蚀箱3内设置高速样品台，耐蚀箱3的箱侧壁开有侧门，机械臂装置的活动臂1-4从侧门伸入耐蚀箱3内，喷枪1-7对准夹具件2-3上夹固的试件，高速样品台的旋转底座2-1由电机驱动旋转，在耐蚀箱3内还设置有盐雾发生器4和高速摄像机。
本实施例通过高速摄像机，可以进行两种模式的监控。一是样品表面冲蚀痕迹监控，二是对冲蚀介质速度测试。借助显示器和转换器，可以实时在线监测冲蚀试验进行情况。
应用本实施例可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统针对20Cr钢在NaCl盐雾气氛下表面多相流冲蚀腐蚀性进行测试，其具体方法按照以下步骤进行：
一、20Cr钢试样处理与放置
准备尺寸为15mm×15mm×8mm(长×宽×厚)的20Cr钢试样6个，将试样固定在夹具件2-3和夹块2-4之间，调整夹具件2-3至固定圆盘2-2圆心距离，通过第二螺栓2-7固定夹具件2-3在滑轨2-11上的位置，以实现单次冲蚀实验中，不同冲蚀距离参数的测试样品的对比，以及不同切向速度的对比；
二、溶液和砂粒配置
利用电子天平称量100g的纯度为99.9％的NaCl粉末和4L的去离子水配置浓度为2.44％的盐溶液，将其中3L溶液放置于液体输送泵中，另外1L溶液放置于盐雾发生器4的储液箱中，并在粉末进料器中加入石英砂；
三、试验参数设置
调整气体温度30℃，气体流量1.5m3/min，砂粒流量0.001m3/min，调整冲蚀角度，控制冲蚀时间为10min，样品台转速为100r/min；
四、冲蚀试验
启动空压机(高压气源)和加热器，经加速和加热后的空气从第一气管1-8进入喷枪，石英砂经粉末进料器从第二气管1-9进入喷枪，盐溶液经液体输送泵从第三气管1-10入喷枪，开启盐雾发生器4(风机和蠕动泵)，在高压耐蚀箱中形成盐雾，通过计算输液量，计算箱体中的盐雾浓度，待浓度达到0.02mg/m3；通过系统采集和显示的数据监测气、液两相流场稳定后，打开加砂阀门，在主管道中形成气相、液相和固相耦合的多相流，并经过喷枪的喷嘴加速，冲击试样的表面，试验时间10min；
五、完成实验及后处理
试验结束，依次关停加砂器，液体输送泵，蠕动泵，风机以及样品台，机械臂回到原点，取下试样；
六、冲蚀样品分析
利用扫描电镜，形貌分析仪分析磨损破坏特征，并借助天秤测试失重，测量冲蚀腐蚀磨损率等。
综上所述，本发明提供了一种气氛可调高速变温多相流冲蚀系统，本发明操作过程简单，无污染，易于产业化生产。任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容做出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何的简单修改，等同变化与修饰，均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统，其特征在于该可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统包括机械臂装置、高速样品台和耐蚀箱(3)，其中机械臂装置包括底座(1-1)、固定臂(1-2)、连接臂(1-3)、活动臂(1-4)、第一液压伸缩杆(1-5)和第二液压伸缩杆(1-6)，固定臂(1-2)竖直固定在底座(1-1)上，连接臂(1-3)的一端铰接在固定臂(1-2)的顶部，连接臂(1-3)的另一端与活动臂(1-4)相铰接，第一液压伸缩杆(1-5)的杆体固定在固定臂(1-2)上，第一液压伸缩杆(1-5)的伸缩端与连接臂(1-3)相连接，第二液压伸缩杆(1-6)的杆体固定在连接臂(1-3)上，第二液压伸缩杆(1-6)的伸缩端与活动臂(1-4)相连接，输送管道固定在活动臂(1-4)上，输送管道上设置有喷枪(1-7)；
所述的高速样品台包括旋转底座(2-1)、固定圆盘(2-2)、夹具件(2-3)和夹块(2-4)，固定圆盘(2-2)设置在旋转底座(2-1)的上表面，在固定圆盘(2-2)上设置有多条沿径向分布的滑轨(2-11)，每条滑轨(2-11)上滑动连接有夹具件(2-3)，沿着滑轨(2-11)的轴向开有定位孔(2-10)，第二螺栓(2-7)穿过夹具件(2-3)和定位孔(2-10)固定夹具件(2-3)在滑轨(2-11)上的位置，在夹具件(2-3)上垂直设置有背板(2-5)，在背板(2-5)上沿竖直方向设置有两条背板滑轨(2-8)，夹块(2-4)在背板滑轨(2-8)上滑动连接，沿竖直方向在两条背板滑轨(2-8)之间开有固定孔(2-9)，第一螺栓(2-6)穿过固定孔(2-9)固定夹块(2-4)，夹块(2-4)和夹具件(2-3)之间夹固有试件，夹具件(2-3)通过第二螺栓(2-7)固定位置；
在耐蚀箱(3)内设置高速样品台，耐蚀箱(3)的箱侧壁开有侧门，机械臂装置的活动臂(1-4)从侧门伸入耐蚀箱(3)内，喷枪(1-7)对准夹具件(2-3)上夹固的试件，高速样品台的旋转底座(2-1)由电机驱动旋转；在耐蚀箱(3)内设置有盐雾发生器(4)。
2.根据权利要求1所述的可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统，其特征在于输送管道包括第一气管(1-8)、第二气管(1-9)和第三气管(1-10)，在高压气源上并联有第一气管(1-8)、第二气管(1-9)和第三气管(1-10)，在第一气管(1-8)上设置有气体加热器，第二气管(1-9)上设置有粉末进料器，第三气管(1-10)上设置有液体输送泵，第一气管(1-8)、第二气管(1-9)和第三气管(1-10)另一端分别与喷枪(1-7)相连通。
3.根据权利要求1所述的可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统，其特征在于在固定圆盘(2-2)上设置有8～12条沿径向分布的滑轨(2-11)。
4.根据权利要求1所述的可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统，其特征在于控制高速样品台的转速为30r/min～150r/min。
5.根据权利要求1所述的可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统，其特征在于在耐蚀箱(3)内还设置有高速摄像机。
6.根据权利要求1所述的可连续调节实时监控多自由度冲蚀辅助系统，其特征在于喷枪(1-7)内设置有气体压力传感器。
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